El ciclo de la xantofila , o ciclo de la violaxantina , en el caso de las plantas superiores, cumple la función de proteger el aparato fotosintético del exceso de energía durante el aumento de la insolación. Evita la fotoinhibición aumentando considerablemente la extinción no fotoquímica . El ciclo incluye interconversiones enzimáticas entre violaxantina y zeaxantina (el producto intermedio es anteroxantina ) [1] .
El ciclo de la violaxantina ocurre en las subunidades menores del complejo captador de luz del fotosistema II (proteínas CP29, CP26, CP23, CP22, etc.). A alta intensidad de luz, debido al trabajo activo del ETC de la fotosíntesis, se produce la acidificación de la luz de los tilacoides . Cuando el pH desciende a 5,0, se activa la enzima deepoxidasa que, en el lado luminal de la membrana, lleva a cabo la reducción de los grupos epoxi de la violoxantina, utilizando como agente reductor el ácido ascórbico . La doble reducción conduce a la formación de zeaxantina, que realiza una función fotoprotectora. Al disminuir la intensidad de la iluminación, comienza a predominar la reacción inversa catalizada por la epoxidasa, ubicada en el lado estromal de la membrana con un pH óptimo de 7,5. La introducción de grupos epoxi requiere oxígeno molecular y un agente reductor ( NADPH ). Como resultado, se forma violaxantina, que puede actuar como un pigmento captador de luz [2] .
El ciclo xantofílico de las plantas superiores y las algas juega un papel importante en la regulación de la redistribución de la energía luminosa entre la violaxantina , la zeaxantina y la clorofila a . El papel de fotoprotector en el ciclo lo realiza la zeaxantina, que contiene un sistema conjugado de 11 dobles enlaces (violoxantina tiene solo 9 enlaces conjugados). Un aumento en la conjugación conduce a una disminución en la energía del primer nivel del pigmento excitado singulete . La violoxantina se caracteriza por la absorción a 657 nm y la zeaxantina a 704 nm (absorción de clorofila a 680 nm). Por tanto, dado que la energía del estado excitado de la zeaxantina es menor que la energía del estado excitado de la clorofila a, es posible la transferencia directa de energía singlete-singlete desde la clorofila excitada (S1 ) a la zeaxantina. La absorción del exceso de energía excitatoria de la clorofila por parte de la zeaxantina protege el aparato fotosintético. Por otro lado, la energía del estado S 1 excitado de la molécula de violoxantina es mayor que la de la clorofila a, y por lo tanto la violoxantina puede convertirse en donante de energía para la clorofila. Como resultado, la violoxantina desempeña el papel de una antena que recoge fotones y los transfiere a la clorofila.
Así, con poca luz, las xantofilas actúan predominantemente como pigmentos captadores de luz, mientras que con mucha luz ayudan a disipar el exceso de energía y protegen a la planta de la fotoinhibición. El mismo mecanismo ayuda a preparar la planta para el cambio de día y de noche.
Las moléculas largas de carotenoides con una gran cantidad de enlaces conjugados son especialmente eficientes para convertir la energía de excitación en energía térmica a través de la conversión interna . Debido a la gran cantidad de dobles enlaces conjugados, que pueden cambiar su longitud de manera bastante significativa, las moléculas de carotenoides realizan oscilaciones constantes de contracción y descompresión como un acordeón. Este comportamiento asegura la rápida disipación de energía en calor . La misma propiedad permite que las xantofilas y los carotenoides extingan eficazmente las formas activas de oxígeno singulete y la clorofila triple excitada [3] .
Además, los cambios conformacionales en la molécula de violoxantina que ocurren durante la oxidación profunda conducen al hecho de que la zeaxantina forma agregados más fácilmente. La formación de agregados de zeaxantina en las proteínas menores CCK II conduce al bloqueo de la migración de energía desde las antenas CCK II externas al centro de reacción PSII y la disipación térmica de la energía de excitación. Se sabe que bajo la luz solar brillante, las plantas disipan en forma de calor del 50 al 70% de la energía de los cuantos absorbidos . Por lo tanto, es la disipación térmica de la energía la que juega un papel clave en la protección del aparato fotosintético (se cree que la contribución de la reacción de Mehler y la fotorrespiración es mucho menor) [4] .
Al estudiar las espinacas, se encontró que bajo luz brillante, el aumento en la concentración de zeaxantina superó la disminución en la concentración de violoxantina. Es posible que tales condiciones animen a las plantas a sintetizar más activamente zeaxantina a partir de β-caroteno [5] .
La zeaxantina también juega un papel estructural importante en las membranas de los tilacoides. Bajo una mayor iluminación, las xantofilas se distribuyen entre los complejos captadores de luz y la bicapa lipídica . Debido a que la zeaxantina tiene dos grupos -OH hidrofílicos, se asienta en la bicapa, lo que aumenta la viscosidad de la membrana. Un aumento en la viscosidad de la membrana debido a la zeaxantina y algunos terpenoides ( α-tocoferol ) reduce su permeabilidad al oxígeno y protege los lípidos de la peroxidación por sus formas activas [6] .
En diatomeas y dinoflagelados , el ciclo xantofílico consiste en el pigmento diadinoxantina , que, en condiciones de luz excesiva, se convierte en diatoxantina en diatomeas o dinoxantina en dinoflagelados [7] .
En algunas plantas superiores (por ejemplo, del género Inga [8] ), además del ciclo de la violaxantina, se encontró un ciclo lúteo adicional. Durante este ciclo, la conversión reversible de luteína-5,6-epóxido en luteína ocurre con luz brillante , lo que también parece contribuir a la protección del aparato fotosintético [9] [10] . Este ciclo se encuentra en algunos grupos taxonómicamente distantes, pero es conservador y se conserva dentro de la familia y el género.